KR100344856B1 - 공기스프링및공기스프링높이의측정방법및제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 구조가 간단하고, 경량이며, 소형인 동시에 저가이며, 공기스프링의 높이를 신속하고 정확하게 검지하는 높이측정수단을 구비하는 공기스프링을 제공하는 것이다.

본 발명의 공기스프링은 상하에 쌍을 이루는 각각의 면판 (1,2) 과, 이들 양면판 (1,2) 에 각각의 단부를 기밀하게 연결한 통형 가요성 막체 (3)와, 어느 한쪽의 면판 (2) 에 연결한 고무적층체 (5) 와, 상하의 면판(1,2) 과, 통형 가요성 막체 (3) 로 구획형성되는 공기실 (4) 에의 가압공기의 급배구 (8) 와, 이 급배구 (8) 를 경유하여 상기 공기실 (4) 에 대한 가압공기의 급배를 하는 급배제어수단 (9) 을 구비한다. 또한 상기 공기실 (4) 의 내측에서 어느 한쪽의 면판 (1) 에 높이센서 (12) 를 부착시키는 동시에, 다른 쪽의 면판 (2) 에 높이센서로부터의 신호를 반사하는 반사판(13) 을 부착하고, 상기 공기실 (4) 의 내측 또는 외측에 압력센서 (14) 를 설치한다.

Description

공기스프링 및 공기스프링 높이의 측정방법 및 제어방법

본 발명은 공기스프링, 특히 철도차량에 사용하기 적합한 공기스프링에 관한 것이다.

철도차량에 적용되는 공기스프링의 높이, 상세하게는 대차와 차체와의 간격의 제어는 통상은 공기스프링에 공급되는 공기압의 크기를 조절함으로서 실시되고 있으며, 이 경우에 있어서, 공기스프링의 실제의 높이는 공기스프링이 상하의 단면을 기계적으로 연결하는 검출기구를 사용하여 측정하는 것이 일반적이었다.

그런데, 철도차량에 적용되는 최근의 공기스프링은 상하방향 뿐만아니라, 전후 및 좌우방향으로도 또한 크게 변형하기 때문에 상기 검출기구를 이들 전후 및 좌우방향의 변형에 충분히 추동시켜서 더욱 공기스프링의 높이를 정확히 측정하고자 기능시킨 경우에는, 그의 검출기구의 구조가 복잡하게 되는 동시에, 점유공간이 크게 되고, 검출기구가 고가로 되는 문제가 있다.

본 발명은 종래기술이 갖는 이와같은 문제점을 해결하는 것을 과제로 하여 검토한 결과 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은 특히, 비접촉식 높이센서 및 압력센서등을 사용함으로써, 공기스프링의 전후 및 좌우방향으로의 변형량의 대소에 관계없이 공기스프링의 높이를 정확하고 신속하게 감지 할 수 있는, 간단하고, 소형이며, 또한 저가의 높이측정수단, 더 상세하게는, 그 높이측정수단을 구비하는 공기스프링과, 공기스프링의 높이측정방법 및 높이제어방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 공기스프링은 상면판 및 하면판의 각각에 통형 가요성막체의 각각의 단부를 기밀하게 연결하는 동시에, 어느 한쪽의 면판에 고무적층체를 연결하고, 각각의 면판과 통형 가요성 막체로 구획형성되는 공기실로의 가압공기의 공급배출구를 설치하는 동시에, 그의 공급배출구를 경유하여 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 공급배출제어수단을 설치한 것에 있어서, 공기실의 내측의 어느 한쪽의 면판에 높이센서를, 다른 한쪽의 면판에 상기 높이센서로부터 신호를 반사하는 반사판을 각각 부착하고, 또한 공기실의 내측 또는 외측의 공기배관내에 압력센서를 설치한 것이다.

또한, 본 발명의 높이측정방법은 상기 공기스프링에 있어서, 높이센서로부터의 신호에 의거하여 공기실 높이, 더 상세하게는 각각의 면판의 두께를 포함하는 공기실높이를 구하고, 또한 압력센서로부터의 신호에 의거하여 직접 또는 간접적으로 고무적층체의 높이를 연산하여, 고무적층체의 이 높이와 상기 공기실높이로부터 공기스프링의 높이를 구하는 것이다.

또한, 본 발명의 높이제어방법은 상술한 공기스프링에 있어서, 높이센서에 의해서 공기실높이를 구하는 동시에, 압력센서로부터의 신호에 의거하여 고무적층체의 현실의 높이를 연산한 후, 그들의 양높이의 합을 가지고, 공기스프링의 소요높이와 비교하여, 이 비교결과에 따라 공기스프링이 소요높이로 될때까지 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 것이다.

또다른 높이제어방법은 현실의 공기실높이 및 고무적층체높이를 상술한방법과 동일하게 구한 후에, 상기 고무적층체높이를 공기스프링의 소요높이로부터 감산하고, 이 감산치와 상기 공기실높이를 비교하여, 이 공기실높이가 감산치와 동등하게 될때까지 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 것이다.

본 공기스프링에서는 상하 어느 한쪽의 면판에 전자(電磁)식, 광학식, 초음파식등으로 할 수 있어, 신호의 발신 및 수신을 행하는 높이센서를 부착하고 높이센서로부터 발생된 신호를 다른 쪽의 면판에 부착한 반사판으로 반사시킨후에 수신함으로써 매우 간단하면서 소형인 동시에 저가의 장치이며, 상하의 면판, 상세하게는 공기스프링의 전후및 좌우방향의 변형량의 대소에 관계없이 양면판의 상대높이, 즉 상하양면판과 통형 가요성 막체로 둘러싼 공기실의 높이를 정확하고 신속하게 측정할 수 있다. 따라서, 그 측정높이에 미리 알고있는 상하면판의 일정높이를 사전에 또는 사후에 가산함으로써 공기스프링의 고무적층체를 제외한 부분의 높이를 구할 수 있다.

여기서, 반사판은 상하면판의 전후및 좌우방향의 상대변형이 생긴 경우라도, 발신신호에 대해 확실한 반사를 할 수 있는 충분한 표면적을 가진다.

또 여기서는, 공기실 또는 그곳의 배관에 설치한 압력센서에 의하여 공기실내압을 측정하여, 이 측정결과로 예컨대, 고무적층체의 높이변화량을 연산함으로써, 공기실내압의 변화에 따른 고무적층체 높이의 신축변형량을 간이, 신속 정확하게 구할 수 있다. 그리고, 이에 있어서 고무적층체의 높이변화량의 연산은 공기실내압과 고무적층체의 높이변화량의 미리 구한 교정곡선 (較正曲線) 에 의거하여 행할 수 있다.

이 때문에, 본 공기스프링에서는 공기실내압의 변화에 따른 고무적층체의 높이의 변화량을 고려하여, 높이가 변화한 후의 고무적층체의 현실의 높이와 공기실높이를 가산하는 것으로 공기스프링 전체의 높이를 구할 수가 있다.

따라서, 본 공기스프링에 의하면, 고무적층체를 포함한 공기스프링전체의 높이의 측정을 상기 높이센서 및 반사판과 공기실의 내측 또는 외측에 설치한 압력센서 등으로 이루어지는 측정수단으로 행할 수 있으며, 높이측정수단의 전체구조를 간단히 할 수 있는 동시에, 그 전체를 소형화 및 저가로 할 수 있고 고장의 염려도 충분히 배제할 수 있다.

또한, 상기 공기실과 고무적층체를 직렬로 연결하는 경우에 있어서는, 예컨대 상면판과 고무적층체 바닥면 각각에 높이센서 및 반사판을 각각 부착할때에는, 압력센서를 사용하지 않고, 공기스프링의 전체높이를 직접적으로 측정하는 것이 가능하다고 해도, 공기스프링의 수평방향의 변위에 있어서는, 상면판과 고무적층체 바닥면사이의 상대변위량이 상당히 크기 때문에, 이 경우 반사판의 치수도 상당히 크게 해야하는 단점이 있다.

그리하여, 이와 같은 공기스프링의 소요높이에로의 높이제어는 상기 방법으로 구한 공기스프링의 현실의 높이를 그것의 소요높이와 비교하여 그 들 양높이의 차가 없도록 공기실에 대하여 가압공기를 공급배출함으로써 행할 수 있고, 이에 의해서, 고무적층체의 신축변형량 및 수평방향 변형량의 여하에 관계없이 공기스프링의 높이를 소요 높이에 정확하게 유지시킬 수 있다.

그런데, 공기스프링의 높이제어는 현실의 공기실높이 및 고무적층체 높이의 각각을 구하고, 공기스프링의 소요높이에서 현실의 고무적층체의 높이를 감산하여, 그의 감산치와 공기실높이가 같게 될 때까지 가압공기를 공기실에 대하여 공급배출함으로써 행할 수 있으며, 이에 의해서도 또한 공기스프링을 소요높이에 정확하게 제어할 수 있다.

(실시예)

이하는 도면을 참조한 본 발명의 실시예이다.

제 1 도는 본 발명의 실시예를 도시한 종단면도이며, 번호 (1) 은 상면판을, 번호 (2) 는 하면판을 나타낸다.

여기서는, 상하의 면판 (1,2) 의 각각에 통형 가요성 막체 (3) 의 상하의 단부를 기밀하게 연결하여, 그들의 면판 (1,2) 과 통형 가요성 막체 (3) 로 둘러싼 공기실 (4) 을 구획형성 한다.

또한, 여기에서는 하면판 (2) 의 하면에 전체가 거의 원통형상을 한 고무적층체 (5) 를 동심연결하고, 고무적층체 (5) 의 하단에 위치하는 스토퍼 플레이트 (6) 에 도시되지않은 보조탱크에 접속되는 접속구부 (7) 를 구무적층체 (5) 의 아랫방향으로 통형으로 돌출시켜서 설치한다.

한편, 상면판 (1) 의 중앙부에는 가압공기의 공급배출구 (8) 를 형성하고, 공급배출구 (8)를 공급배출제어수단 (9)을 통하여 가압공기 공급수단 (10)에 접속시킨다.

또한 이 예에서는 하면판 (2) 에 가변 스로틀 밸브 (11) 를 설치하고 이 것에 의해 공기실 (4) 과 보조탱크와의 압력차가 소정치를 초과할 때에만, 그들 양자를 연결하여, 상세하게는 그들 사이에서의 가압공기의 유동을 가능하게 한다.

이 가변 스로틀 밸브 (11) 는 구체적으로 제 2 도에 도시되었듯이, 하면판(2) 에 부착한 컵형 하우징 (11a) 의 주벽 및 바닥벽의 각각에 관통공(11b) 을 설치하고, 그리고 그 하우징내로 스프링 (11c) 에 의하여 서로 격리되는 방향으로 힘이 가해진 벨브체 (11d) 와 스프링시트부재 (11e) 를 그들에 관통하는 볼트 (11f) 의 구속하에 배치하여, 스프링시트부재 (11e) 를 바닥벽 관통공 (11b) 의 둘레에, 그리고 밸브체 (11d) 를 하우징 (11a) 에 부착한 내향플랜지 (11g) 및 볼트 (11f) 의 상단부에 부착한 밸브시트 (11h) 의 각각에 안착시키고, 또한 그 밸브체 (11d)를 그것과 하우징 바닥벽사이에 끼워넣은 스프링정수가 큰 다른 스프링 (11i) 에 의하여 내향플랜지 (11g) 및 벨브 시트 (11h) 에 강하게 가압함으로써 구성한 것이다.

이와 같은 가변 스로틀 밸브 (11) 에 있어서, 공기실 (4) 의 내압 ( P₁) 이 보조탱크측의 내압 ( P₂) 보다 크게되면, 밸브체 (11d) 및 밸브시트 (11h) 는 제 2 도 (b) 에 도시되었듯이, 각각의 스프링 (11c, 11i) 의 탄성력에 저항하며 일체적으로 하강 변위하고, 이에 따라서 그 밸브체 (11d) 와 내향플랜지 (11g) 사이의 압력차에 대응한 간극이 생기므로 공기실내의 가압 공기는 간극으로부터 하우징 (11a) 에 형성한 관통공 (11b) 을 거쳐서 보조탱크측으로 유입한다.

다른 한편으로, 보조탱크측의 내압 ( P₂) 이 공기실내압 ( P₁)보다 크게되면, 스프링시트부재 (11e) 및 볼트 (11f) 는 제 2 도 (c) 에 도시되었듯이, 밸브시트 (11h) 와 함께 한쪽의 스프링 (11c) 의 탄성력에 저항하여 상승변위하고, 그 밸브시트 (11h) 와 밸브체 (11a) 사이의 압력차에 대응한 간극을 초래하고 이에 의해, 보조탱크측의 가압공기가 하우징 관통공 (11b) 으로부터 그 간극을 거쳐 공기실 (4) 로 유입한다.

그리고 또한, 이 예에서는 공기실 (4) 의 내측에서 상면판 (1) 에 예를들면, 광학식의 높이센서 (12)를 부착함과 동시에, 하면판 (2) 의 높이센서(12) 와 대향하는 위치에 반사판 (13) 을 부착한다. 여기서의 반사판(13)은 제 3 도에 평면도로 나타내듯이, 상하의 평면 (1,2) 의 상호에, 전후 및 좌우방향의 수평상대변위가 생겨도, 높이센서 (12) 로부터 발사된 빛은 그 높이센서 (12) 를 향해 확실하게 반사하는 데 충분한 표면적을 가진다.

또한, 상하의 면판 (1,2) 의 전후방향의 변위는 많게는 그들의 양면판(1,2) 의 중심축선의 둘레에서의 회전운동변위를 포함하게되므로, 반사판(13) 을 소정의 폭을 가진 원호형상으로 함으로써, 반사판의 전체 표면적을 유효하게 감소시키고, 또한 각 방향의 상대변위에 충분하게 대응시킬 수 있다.

이와 같은 구성하에서, 높이센서 (12) 는 거기에서 발사된 빛이 반사판 (13)을 거쳐서 다시 그곳에 복귀할 때까지의 시간을 계측함으로써 공기실 (4) 의 높이, 직접적으로는 높이센서 (12) 와 반사판 (13) 사이의 거리를 검지할 수 있다. 따라서 고무적층체 (5) 보다 상방에 위치하는 공기스프링부분의 높이는 상기 측정결과에 상하 면판부분의 소정의 두께를 가산함으로써 구할 수 있다.

또한, 높이센서 (12) 를 하면판 (2) 에, 그리고 반사판 (13) 을 상면판(1) 에 각각 부착할 수도 있으며, 이것으로써 상기와 동일한 작용을 얻을 수 있다.

또한 도면에 나타낸 예어서는, 이것도 공기실 (4) 의 내측에서 상면판 (1)에 공기실내압을 측정하는 압력센서 (14)를 부착한다. 또한 이 압력 센서 (14) 는 공급배출구 (8) 와 공급배출제어수단 (9) 사이의 배관의 도중에 설치하는 것도 가능하다.

이와 같은 구성하여 이루어지는 공기스프링에 있어서, 그것의 높이, 즉 상면판 (1) 의 상면으로부터 고무적층체 (5) 의 하면까지의 거리의 측정은, 예컨대 높이센서 (12) 를 작용시킴으로써 공기실높이 상세하게는, 공기스프링의 고무적층체 (5) 보다 상방에 위치하는 부분 전체의 높이를 검지하고, 또한 압력센서 (14) 로부터의 압력신호에 의거한 고무적층체 (5) 의 높이의 기준치에 대한 변화량, 즉 고무적층체 (5) 의 현실의 높이를 연산하고, 그후 그들의 양높이를 가산함으로써 행할 수가 있다.

또한 여기서, 공기실내압과 고무적층체 (5) 의 높이변화량과의 관계는, 예컨대 철도차량의 만차시에 있어서 일반적인 공기실내압으로 되는 5kgf/㎠ 일때의 고무적층체 (5) 의 높이를 기준높이로 한 경우는 제 4 도에 도시한 바와 같은 그래프로 되므로, 그래프에 표시되는 높이변화량을 고무적층체 (5) 의 기준높이에 가산함으로써 고무적층체 (5) 의 현실의 높이를 간단하게 연산할 수 있다. 그러나, 고무적층체 (5)의 기준높이와 그것의 높이변화량을 미리 가산한 경우에는, 압력센서 (14)에 의해 측정된 공기실내압에 의거하여 고무적층체 (5) 의 현실의 높이를 바로 구할 수 있다.

이리하여 여기서 높이센서, 반사판, 압력센서 등으로 이루어진 소형이고 간단하며 더구나 저가인 높이측정수단을 사용함으로써, 공기스프링의 전후 및 좌우방향의 수평변위량에 관계없이 공기스프링의 현실의 높이를 공기스프링 전체의 부피, 중량 등을 실질적으로 증가시키지 않으면서 정확하고 신속하게 측정할 수 있다.

그리하여, 상기의 방법으로 공기스프링의 현실의 높이를 구하고, 그 결과를 직접적으로 사용하여 공기스프링 높이를 소요의 높이로 제어하는 경우에는 제 5 도에 도시한바와 같이 행할 수 있다.

즉, 여기에서는 높이센서 (12) 로부터의 신호에 의거하여 공기실높이, 더 상세하게는 공기스프링의 고무적층체 (5) 를 제외한 부분의 높이 (X) 를 구하는 동시에, 압력센서 (14) 로부터의 신호에 의거하여 고무적층체 (5) 의 높이변화량을 고려한 현실의 고무적층체 높이(Y) 를 연산하여, 그들의 양높이를 가산함으로써 상기 공기스프링의 현실의 높이 (X+Y) 를 구하고, 그리고 그 공기스프링 높이 (X+Y)를 비교기에서 공기스프링의 소요높이 (Z₀) 와 비교 하여, 높이 (X+Y) 가 높이 (Z₀) 보다 큰 경우에는 공급배출제어수단 (9) 에 공기스프링으로부터의 배기신호를, 반대로 높이 (X+Y) 가 높이 (Z₀) 보다 작은 경우에는 공기스프링으로 공급신호를, 각각 출력하여 공기스프링이 소요높이 (Z₀) 로 안정될 때까지 복수 회 반복하여 실시한다.

이와 같은 높이제어방법에 의하면, 공기스프링을 충분히 높은 정확도로서 소요높이 (Z₀) 로 안정시킬 수 있다.

제 6 도는 공기스프링의 높이를 소요높이 (Z₀)로 제어하는 다른 예를 도시한 도면이고, 이 제어방법은 압력센서 (14) 로부터의 신호에 의거하여 연산한 현실의고무적층체 높이 (Y) 를 소요높이 (Z₀) 로부터 미리 연산한 후에, 그의 감산치 (Z₀-Y) 와 높이센서 (12) 로부터의 신호에 의거하여 구한 높이 (X) 를 비교기로 비교하여 높이 (X)가 감산치 (Z₀-Y)보다 큰 경우에는 공기스프링에서의 배기를, 반대의 경우에는 공기스프링에로의 급기를 각각 실시하여 공기스프링을 소요높이 (Z₀) 에 안정시킨 것이다. 이 제어방법에 의해서는 또한 상기 경우와 동일의 효과를 얻을 수 있다.

이상은 본 발명을 도면을 참조하여 설명하였지만, 고무적층체를 상면판측에 직접 또는 간접적으로 부착할 수도 있으며, 또한 높이센서를 전자식, 초음파식등으로 할 수 있다.

본 발명의 공기스프링에 의하면, 높이측정수단의 구조를 간단하게 하는 동시에, 소형, 경량이면서 저가로 할 수 있으며, 또한 우수한 내구성하에서 공기스프링의 수평방향 변형량의 여하에 관계없이 공기스프링의 현실의 높이를 신속하고 정확하게 검지 할 수 있다.

그리고, 본 발명의 높이제어방법에 의하면, 어느 방법이라도 공기스프링의 높이를 충분히 높은 정확도로 제어할 수가 있다.

제 1 도는 본 발명에 관한 장치를 나타내는 종단면도.

제 2 도는 가변 스로틀 밸브 (throttle valve) 의 작동을 나타내는 종단면도.

제 3 도는 반사판의 부착상태를 나타내는 평면도.

제 4 도는 공기실내압과 고무적층체의 높이변화량을 나타내는 그래프.

제 5 도는 공기스프링의 높이제어의 태양을 나타내는 블록선도.

제 6 도는 공기스프링의 높이제어의 다른 태양을 나타내는 블록선도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 상면판 2 : 하면판

3 : 통형 가요성 막체 4 : 공기실

5 : 고무적층체 6 : 스토퍼 플레이트

7 : 접속구부 8 : 공급배출구

9 : 공급배출제어수단 10 : 가압공기 공급수단

11 : 가변 스로틀 밸브 12 : 높이 센서

13 : 반사판 14 : 압력센서

Claims (4)

1. 상하에 쌍을 이루는 각각의 면판과, 이들 양면판에 각각의 단부를 기밀하게 연결한 통형 가요성 막체와, 어느 한쪽의 면판에 연결한 고무적층체와, 상하의 면판과 통형 가요성 막체로 구획형성되는 공기실로의 가압공기의 공급배출구와, 이 공급배출구를 경유하여 상기 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 행하는 공급배출제어수단을 구비하는 공기스프링으로서,

   상기 공기실의 내측에서, 어느 한쪽의 면판에 높이센서를 부착하는 동시에, 다른 쪽의 면판에 그 높이센서로부터의 신호를 반사시키는 반사판을 부착하고, 상기 공기실의 내측 또는 외측에 압력센서를 설치하여 이루어지는 공기스프링.
2. 상하에 쌍을 이루는 각각의 면판과, 이들 양면판에 각각의 단부를 기밀하게 연결한 통형 가요성 막체와, 어느 한쪽의 면판에 연결한 고무적층체와, 상하의 면판과 통형 가요성 막체로 구획형성되는 공기실로의 가압공기의 공급배출구와, 이 공급배출구를 경유하여 상기 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 공급배출제어수단을 구비하는 공기스프링에 있어서,

   공기실내에 설치한 높이센서로부터의 신호에 의거하여 공기실높이를 구하는 동시에, 공기실의 내측 또는 외측에 설치한 압력센서로부터의 신호에 의거하여 고무적층체의 높이를 구하고, 고무적층체의 이 높이와 상기 공기실높이로부터 공기스프링의 높이를 구하는 것을 특징으로 하는 공기스프링 높이의 측정방법.
3. 상하에 쌍을 이루는 각각의 면판과, 이들 양면판에 각각의 단부를 기밀하게 연결한 통형 가요성 막체와, 어느 한쪽의 면판에 연결한 고무적층체와, 상하의 면판과 통형 가요성 막체로 구획형성되는 공기실로의 가압공기의 공급배출구와, 이 공급배출구를 경유하여 상기 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 공급배출제어수단을 구비하는 공기스프링에 있어서,

   공기실내에 설치한 높이센서로부터의 신호에 의거하여 공기실높이를 구하는 동시에, 공기실의 내측 또는 외측에 설치한 압력센서로부터의 신호에 의거하여 고무적층체의 높이를 구하고, 이 높이와 상기 공기실높이와의 합을 공기스프링의 소요높이와 비교하고, 이 비교결과에 따라서 공기스프링이 소요높이로 될 때까지 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 것을 특징으로 하는 공기스프링 높이의 제어방법.
4. 상하에 쌍을 이루는 각각의 면판과, 이들 양면판에 각각의 단부를 기밀하게 연결한 통형 가요성 막체와, 어느 한쪽의 면판에 연결한 고무적층체와, 상하의 면판과 통형 가요성 막체로 구획형성되는 공기실로의 가압공기의 공급배출구와, 이 공급배출구를 경유하여 상기 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 공급배출제어수단을 구비하는 공기스프링에 있어서,

   공기실내에 설치한 높이센서로부터의 신호에 의거하여 공기실높이를 구하는 동시에, 공기실의 내측 또는 외측에 설치한 압력센서로부터의 신호에 의거하여 고무적층체의 높이를 구하고, 고무적층체의 이 높이와 공기스프링의 소요높이로부터의 감산치를 상기 공기실높이와 비교하고, 이 비교결과에 따라, 공기실높이가 상기 감산치로 될 때까지, 공기실에 대한 가압공기의 공급배출을 하는 것을 특징으로 하는 공기스프링의 높이제어방법.